VII. Энергетические фермы в океане

Специалистам-энергетикам известно много способов извлечения океанской энергии. На практике они уже используют энергию волн и приливов. Теоретически рассматривают варианты использования быстрых океанских течений. Наиболее изобретательные исследователи пытаются воспользоваться разницей температур, существующих в океане.

Эти проекты доступны для понимания и представляются осуществимыми. Все они оригинальны и отличаются друг от друга, но все же в определенном смысле одинаковы. Идея их заключается в том, что энергия океана извлекается с помощью помещенного в воду колеса, которое служит турбиной. Турбина вращает генератор, вырабатывая, таким образом, электричество.

Неизбежно было появление изобретателя, обладающего оригинальным мышлением, который задумался бы о принципиально новой схеме извлечения океанской энергии. Этим изобретателем стал доктор Говард А. Уилкокс, работающий в Центре исследований морских и океанских систем, имя которого мы впервые упомянули в главе 1.

"Вот, что нам нужно делать,- считает Уилкокс.- Попросту выращивать топливо. Ведь в океане достаточно места для любого числа энергетических ферм".

Какие растения он собирается использовать? "Бурые водоросли, которые в естественных условиях растут в прибрежных водах. Они поглощают и накапливают огромное количество солнечной энергии и удивительно быстро растут - на 1-2 фута (¹/_з - ²/_з м) в день".

Бурые водоросли уже давно известны как полезные растения. В течение столетий они были обычным блюдом японской кухни. В Соединенных Штатах они использовались при изготовлении прованского масла и являлись одним из ингредиентов в производстве пластмасс, красок, картона, зубной пасты и питательных смесей для животных. Не так давно бурые водоросли стали привлекать внимание не только ученых-океанологов, но и некоторых промышленников как потенциальный источник получения метана, который является заменителем природного газа.

"Мы можем рассаживать бурые водоросли на океанских энергетических фермах, культивировать их, собирать урожай и превращать запасенную в них энергию в метан и этан для заправки легковых автомобилей и грузовиков, автобусов и самолетов",- решил Уилкокс.

Вскоре после этого Уилкокс, привыкший работать с поразительной скоростью, создал проект экспериментальной фермы размером в 7 акров (3 гектара). Военно-морское ведомство США назначило его директором проекта, и, как результат, первая энергетическая ферма (чуть меньшая по размерам, чем планировалось) была создана в Тихом океане уже весной 1974 года.

Эта ферма была расположена в открытом море в 60 милях (96 км) от берегов Калифорнии, недалеко от острова Сан-Клемент. В результате экспериментов необходимо было установить, будут ли бурые водоросли расти при пересадке из неглубоких, богатых питательными веществами прибрежных вод в глубокие, бедные этими веществами океанские воды. Более того, общеизвестно, что для роста морским растениям нужен свет, но чем глубже слой воды, тем меньше света в него проникает. Следовательно, на глубоком, темном океанском дне пересаженные молодые экземпляры бурых водорослей имели бы очень мало шансов выжить.

"Тогда мы обманем бурые водоросли и сделаем так, чтобы они думали, будто растут на мелководье,- решил Уилкокс.- Мы построим большой плот, покроем его сетью полипропиленовых тросов, погрузим на глубину 40 футов (12 м) ниже поверхности воды и прикрепим длинными канатами к дну океана, находящемуся на 300 футов (90 м) глубже".

За дело взялся один из крупнейших в мире специалистов по бурым водорослям, профессор Калифорнийского технологического института Уилер Норт. Норт и два его помощника, облачившись в блестящие черные костюмы для подводного плавания, надев маски, очки и ласты, погрузились в воду и тщательно обследовали близлежащее прибрежное дно. Там они выбрали около ста молодых растений, принадлежащих к известному своим гигантизмом виду Макроцистис грушевидный- Macrocystis pyrifera. Затем растения были пересажены на погруженный под воду плот группой аквалангистов военно-морских сил, на время превратившихся в портных. Аквалангисты ныряли к плоту и пришивали молодые скользкие водоросли к тросам длинными иглами, специально изобретенными Нортом.

Macrocystis pyrifera - один из наиболее интересных видов бурых водорослей, вырастающий в океане до высоты, которой на суше достигают лишь гигантские секвойи. Так же, как и секвойи, водоросли растут целыми лесами, только эти леса находятся под водой. Однако на этом сходство кончается. Секвойи получают воду и питательные вещества через корни. Бурые водоросли не имеют ни корней, ни листьев. Вместо этого у них есть пластины с тоненькими усиками-крючочками, которыми они в естественных условиях прикрепляются к подводным скалам и таким образом удерживаются. Что касается питания, то каждая часть водоросли заботится о себе самостоятельно, поглощая воду и растворенные в ней минеральные вещества.

Океанская энергетическая ферма в районе острова Сан-Клемент

Как только молодое растение закрепится на дне, оно начинает расти вверх, к свету. Когда оно достигает поверхности воды, его блестящие коричневые ветви, удерживаемые маленькими воздушными мешочками, лентами стелятся по залитой солнцем поверхности моря. В этих-то ветвях и происходит превращение солнечной энергии в химическую в процессе фотосинтеза.

Хотя профессор Норт тщательно продумал организацию пересадки водорослей на плот, помещенный в Тихом океане, они стали развиваться не так, как ожидалось. Персонал военно-морских сил периодически проверял якорные бакены и навигационные буи. Регулярно спускался под воду и сам Норт, чтобы осмотреть состояние тросов и водорослей, однако они так и не смогли адаптироваться к новым условиям. Растения не имели возможности активно развиваться, так как концентрация питательных веществ в воде (как показал химический анализ) была низка.

Теперь уместно задать вопрос: "Каких же питательных веществ может не хватать в глубоких океанских водах?"

На самом деле их цвет говорит сам за себя. Там, где вода голубая, океан является, по сути, "биологической пустыней", способной прокормить только отдельных представителей морской флоры и фауны. Так как в этих местах фактически отсутствуют поддерживающие жизнь питательные вещества, там способно выжить только незначительное количество растений и животных. Соответственно погибает и разлагается также небольшое количество морских организмов. Таким образом, вода остается чистой и голубой, без примесей органических веществ и определенных мине ралов, необходимых в качестве питательны? веществ.

Там, где вода зеленого цвета, такого же. как вблизи суши, она переполнена живущими, питающимися и умирающими организмами: водорослями, ракообразными, моллюсками и рыбами. Цвет ее зависит от высокого содержания хлорофилла, вещества, которое в растениях является основой процесса фотосинтеза. К тому же и реки, впадающие в моря, обогащают воду разнообразными продуктами органической и неорганической природы. Это делает возможным существование в зеленых прибрежных водах большого числа морских организмов, и гигантские бурые водоросли прекрасно растут в таких условиях. Их колонии существуют в прибрежных водах умеренного пояса по всему миру. Однако наиболее хорошо они развиваются там, где происходит перемещение глубинных вод со дна к поверхности. Такое явление наблюдается у берегов Калифорнии, Перу и других участков восточной границы Тихого океана.

Так как океанские фермы по производству бурых водорослей располагаются в зоне "биологической пустыни", возникает необходимость обогатить ее питательными веществами - азотом, фосфором, калием и некоторыми микроэлементами. В определенных количествах они содержатся в более глубоких океанских слоях, накопившись там за многие столетия в результате разложения в воде останков растений и животных. Эта глубинная, обогащенная питательными веществами вода могла бы стать практически неограниченным по запасам "удобрением" для океанских энергетических ферм, если бы существовала возможность выкачивать ее со дна.

Энергетическая ферма, которую столь старательно создавали Уилкокс и Норт, просуществовала менее года. Этого времени было недостаточно для того, чтобы вырастить, собрать и переработать для получения метана бурые водоросли. В январе 1975 года произошло непредвиденное событие. Неизвестное судно, несмотря на ясно видимые навигационные буи, проплыло через акваторию фермы, полностью ее разрушив. Однако никто не посчитал, что реализация проекта полностью провалилась. Эксперимент показал, что прибрежные бурые водоросли могут быть пересажены на искусственное дно в открытом море и там не только выживут, но и будут размножаться. Кроме того, стало ясно, что для создания благоприятных . условий для нормального роста водорослей необходимо "удобрять" питающий их водный слой.

Спустя год военно-морские силы самоустранились от руководства проектом. Однако поддержка продолжала поступать из двух других источников. Компания "Дженерал электрик", оставившая Уилкокса в качестве консультанта, взяла на себя разработку всех аспектов реализации проекта, кроме тех, которые выполняли непосредственно военно-морские силы,- их функции в проекте перешли к компании "Глобал марин девелопмент инкорпорейтед". Дополнительную финансовую помощь оказало министерство энергетики США, оставившее своим консультантом Норта.

Такой поворот событий не испугал Уилкокса, и он продолжал разрабатывать программу создания океанских ферм, наметш три основные стадии ее реализации. После первого описанного выше этапа он планиро вал создание двух ферм площадью 1000 акров (400 га): одной - в Атлантике, другой - в Тихом океане. Затем в случае успешного исхода экспериментов и при условии, что не прекратится поддержка проекта, предполагалось создание двух ферм площадью 100 000 акров (40 000 га)-квадратов со стороной 12 миль (19 км). И на этот раз одна ферма должна была разместиться в Атлантике, другая - в Тихом океане.

Согласно вычислениям Уилкокса во всех океанах мира имеется около 50 миллионов квадратных миль (130 миллионов кв. км) "плодородной поверхности", а каждая квадратная миля посаженных водорослей (квадрат со стороной 20 городских кварталов) сможет обеспечить горючим 300 человек при существующем на сегодняшний день уровне потребления энергии в США. "Фермы при этом будут надежно закреплены, а водоросли будут удобряться накачиваемой из глубины водой, богатой питательными веществами",- указывает Уилкокс. "Тогда бурым водорослям уже не придется бороться за выживание. Не будем забывать и о том, что в результате мы получим ценные побочные продукты - корм для скота и вещества, сходные по свойствам с нефтью". Он также отметил и то, что рыбы и другие морские животные будут прекрасно размножаться в богатой питательными веществами воде вокруг ферм.

Словно сомневаясь в том, что этих достоинств не хватит для того, чтобы завоевать признание и поддержку, Уилкокс отмечает еще одно преимущество проекта - отсутствие необходимости в создании новых технологией для его реализации. Доказательством служит то, что частные фирмы, например компания "Келкс", уже собирают урожаи с естественных плантаций бурых водорослей, а в лабораториях института газовой технологии из растений добывается метан.

С присущим ему энтузиазмом и с. осознанной предусмотрительностью Уилкокс начал подготовку к предварительным испытаниям опытной фермы площадью ¹/₄ акра (⁵/₈га), которая в запланированный срок была установлена в проливе Сан-Педро на расстоянии 8 миль (12,5 км) от местечка Корона-дель-Мар, расположенного южнее Лос-Анджелеса. В результате экспериментов, проведенных на этой ферме, профессор Норт надеялся установить, в каких количествах должна и может накачиваться богатая питательными веществами вода с глубины океана. Он также желал выяснить, в какой степени эта вода будет способствовать росту водорослей.

Создание новой экспериментальной фермы, как и создание фермы у острова Сан-Клемент, началось с постройки плота, погруженного затем в воду и закрепленного там якорями и канатами, однако на сей раз конструкция его была иной. Внешне она напоминала зонтик, на полипропиленовые тросы-спицы которого, отходящие от центрального стрежня-буя, высаживались бурые водоросли. Центральный стержень придавал испытываемой ферме необходимую устойчивость. Он служил также верхней частью трубы длиной 1500 футов (450 м), предназначенной для накачивания с помощью дизельного насоса воды из глубинных слоев. Установленная в 1978 году, эта небольшая опытная ферма продолжает и в настоящее время являться базой для исследований профессора Норта.

Когда пришло время начинать вторую стадию экспериментов - создание плантаций площадью 1000 акров, особое внимание было уделено снижению себестоимости и повышению популярности проекта. По всей видимости, эти плантации будут походить на опытную ферму площадью ¹/₄ акра, о которой уже рассказывалось выше, однако теперь на центральном стержне-буе будет находиться платформа с жилыми помещениями для "океанских фермеров". Будет выделено место для необходимого оборудования, складских помещений, службы слежения за системой буев и бакенов и навигационной системы. Предусматривается создание работающего от энергии волн насоса для накачивания воды с глубины. Плантация такого размера будет иметь специальный гребной винт (называемый пропульсер) для удержания ее на месте и исключения возможности дрейфа. Система в целом будет также включать посадочную площадку для вертолетов и судно для сбора урожая.

Так как бурые водоросли растут очень быстро, судно для сбора урожая, возможно, будет функционировать непрерывно, медленно передвигаясь по территории фермы как огромная плавучая газонокосилка. Верхняя часть ветвей водорослей будет обрезаться, грузиться на борт судна, частично обезвоживаться и доставляться на платформу для переработки.

В естественных условиях бурые водоросли вырастают примерно за шесть месяцев, однако на удобряемой океанской плантации они, возможно, достигнут полного размера быстрее, чем за четыре. Объем урожая может колебаться от 300 до 500 "сырых" тонн с акра. Профессор Норт объясняет: "Плантацию бурых водорослей не нужно засаживать вновь после каждого сбора урожая, потому что растения продолжают расти после того, как срезаются верхние ветви, точно так же, как отрастают после стрижки волосы или трава на газоне. Вследствие того что на искусственном плоту водоросли способны размножаться, потери, вызванные сильными штормами, болезнями или чрезмерным аппетитом морских животных, будут быстро возмещаться".

Такими должны быть океанские энергетические фермы будущего, которые займут огромные пространства "подводной недвижимости". Вместе с ними появятся сигнальные бакены, функционирующие благодаря использованию энергии волн, мигающие световые маяки, суда, собирающие урожай водорослей. Плантации будут удобряться богатой питательными веществами водой, накачиваемой с глубины. Такие фермы станут естественными, природными преобразователями энергии в голубых просторах океана.

Вы, видимо, не удивитесь, узнав, что профессор Норт проводит большую часть своего времени, осуществляя эксперименты по организации снабжения водорослей питательными веществами. Если он свободен от работы в Калтене, он отправляется к Тихому океану в Корона-дель-Мар, где его лабораторией становится океан. Надев потертые джинсы, кеды и прорезиненную куртку, он направляет свой катер на запад. На воде он быстро определяет местонахождение труб, закрепленных на якорях и накачивающих воду с различных глубин: одна - с глубины 500 футов, другая- 1000, третья-1500 (3 фута - 0,9 м). В зависимости от того, с какой глубины нужна вода, Норт причаливает к определенной трубе, включает помпу, работающую на бензине, и наполняет водой канистры емкостью 5 галлонов (19 л). Затем он переправляет их в выделенное для экспериментов помещение морской лаборатории Керчоффа.

Забитое сплетениями мокрых трубок, грязными аквариумами, наполненное шумом работающих насосов, это помещение стало ареной бесчисленных экспериментов. В середине 70-х годов Норт впервые сравнил опытным путем содержание питательных веществ в глубинных и поверхностных водах океана, поместив молодые экземпляры Macrocystis pyrifera в десятигаллонные аквариумы (38 л) с глубокими металлическими желобами, в которых свободно циркулировала вода. Опыты показали, что в поверхностных водах бурые водоросли обычно росли значительно медленнее тех, которые были помещены в воду, накаченную с глубины.

Затем Норт решил исследовать, каких веществ не хватает в глубинной воде. Быть может, считал он, в ней тоже не достает одного или нескольких питательных элементов. Для того чтобы это выяснить, Норт провел две серии экспериментов. В первой серии он использовал глубинную воду, обогащенную им самим созданной смесью, которую он назвал "стандартным питательным составом для Macrocystis pyritera". Этот состав содержал ряд элементов (названия которых знакомы тем, кто когда-нибудь читал надписи на наклейках бутылок с минеральной водой), включая железо, йод, марганец и цинк. Кроме того, он добавил в состав смесь молибдена, кобальта и мышьяка. Затем определенное количество изготовленной смеси и молодые экземпляры водорослей помещались в аквариум с глубинной морской водой. Поворот включателя - и начинали гудеть насосы, циркулировать вода - эксперимент начинался.

Норт внимательно следил не только за водорослями, растущими в аквариуме с водой, обогащенной, изготовленной по вышеуказанному "рецепту", но и за водорослями, находящимися в аквариуме с обычной морской водой. Он обнаружил, что в первом случае растения развиваются гораздо быстрее, чем во втором.

В последующей серии экспериментов молодые экземпляры бурых водорослей вновь помещались в обогащенную смесью глубинную морскую воду, но так, чтобы при каждом опыте в смеси отсутствовал один из составляющих элементов. Теперь результаты бывали самыми различными. Если удаление одних элементов практически не влияло на рост растений, то удаление других даже ускоряло их развитие. Отсутствие определенных элементов приводило к заболеванию водорослей, при этом увеличение содержания других элементов в смеси не улучшало положения.

Конечно, химический состав морской воды меняется со временем и различен в разных местах океана. Следовательно, может потребоваться много лет для определения смеси

питательных веществ, которая была бы наилучшей для водорослей каждой конкретной плантации. Норт прекрасно это понимает и, разумеется, принимает в расчет.

Весьма интересны его эксперименты по высеванию водорослей. Он помещает короткие нижние побеги - спорофилы - в лоток с охлажденной водой. Так они сбрасывают споры на трос, заранее уложенный в лотке. Сброшенные споры прикрепляются к нему и начинают развиваться. Через некоторое время прошедшие специальную подготовку водолазы закрепляют перевезенный в океан трос к подводным опорам для проведения дальнейших экспериментов и исследований.

Зачем все это нужно? Для того, чтобы снизить себестоимость проекта, ведь закрепить трос с молодыми побегами значительно проще, чем пришивать водоросли к полипропиленовым тросам закрепленного под водой плота.

В течение долгого времени считалось, что бурые водоросли произрастают в прибрежных водах умеренного пояса. С 1975 года стало ясно, что гигантские Macrocystis pyrifera можно пересаживать и культивировать и в прохладных водах морей, вдали от берегов. Затем возник вопрос, возможно ли культивировать бурые водоросли или их гибриды, созданные в лаборатории, на энергетических фермах в теплых тропических морях.

"Разумеется, можно,- считают доктор Уилкокс, профессор Норт и ряд других гидробиологов.- Даже в тропиках прохладную и богатую питательными веществами воду можно накачивать насосами из глубины".

Не удивительно, что выращивание гибридных бурых водорослей, способных адаптироваться к условиям тропиков, включается в планы исследований все большего числа экспериментаторов. Планируется и выращивание бурых водорослей, более устойчивых к заболеваниям и паразитам, так же как и выращивание водорослей, которые питались бы веществами, еще не испытанными экспериментальным путем. Кроме того, широко исследуются океанские просторы с целью обнаружения природных течений, перемещающих воду со дна на поверхность, разрабатываются конструкции плотов, способных выдержать любые возмущения вод на глубине 40, 60 и 100 футов (12, 18 и 30 м), рассматриваются возможности соединения океанских ферм с ОТЕС, которая, как мы уже знаем, также накачивает холодную воду из глубинных слоев.

С появлением интересных идей число проводимых исследований резко возрастает. На их основе уже сегодня многие инженеры и гидробиологи в США, Китае и Японии видят в море средство приближения эры изобилия. Они уверены, что неиссякаемые количества метана и этана, полученные на океанских энергетических фермах и перевезенные на сушу в танкерах, приведут в движение транспортные средства, обогреют или освежат воздух в домах и школах, на заводах и в учреждениях. Выступая на страницах специальных журналов, обращаясь к представителям различных групп потребителей энергии, беседуя в кулуарах законодательных учреждений, ученые-океанологи указывают, что по мере того как все более сложной и напряженной становится проблема энергоснабжения, правительства всех стран мира должны большее внимание и поддержку уделять развитию и разработке проектов альтернативных источников получения энергии. В этом смысле океанские энергетические фермы особенно привлекательны по нескольким причинам.

"Океанская недвижимость" не принадлежит никому, и так будет продолжаться до тех пор, пока правительства не поймут ее ценности. Тогда они, быть может, установят над ней свой суверенитет, будут сдавать ее в аренду или продавать и, разумеется, облагать налогами.

Проблем ирригации, за исключением накачивания глубинной воды, здесь не существует. Океанские фермы не загрязняют планету даже термально. Энергия, полученная бурыми водорослями от солнца, в конце концов вернется в атмосферу, после того как метан, этан и другие продукты будут сжигаться или использоваться иным способом. Накапливаемая энергия и энергия возвращенная будут уравновешивать друг друга, и общий термальный баланс планеты останется неизменным. Поддерживание термального равновесия на Земле сегодня является особенно важной проблемой, так как многие ученые предупреждают, что продолжающееся сжигание ископаемых видов топлива в конце концов увеличит температуру планеты в целом на 2-3° по Фаренгейту, что приведет к достаточно серьезным климатическим изменениям.

В 80-х годах нашего столетия министерство энергетики США, "Дженерал электрик", "Америкэн гэз ассошиэйшн", "Глобал марин девелопмент инкорпорейтед", профессора университетов и представители тех групп потребителей энергии, которые были инициаторами создания океанских энергетических ферм и продолжают оказывать поддержку осуществлению проекта и теперь, убеждены, что они находятся на верном пути. Им известно, что бурые водоросли являются прекрасным источником получения метана и этана, что может быть разработана технология создания ферм и получен высокий экономический эффект. Все они, включая пионеров в этой области - Говарда Уилкокса и Уилера Норта, твердо верят в то, что уже скоро станет ясно - существует не только принципиальная возможность создания таких ферм, но и практическая необходимость их строительства.